采用全站儀進(jìn)行危舊古建筑結(jié)構(gòu)測(cè)量方法的探討

祝啟祥

（無(wú)錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無(wú)錫214072）

0 引言

無(wú)錫南下塘是一條歷史悠久的古街，它位于江蘇省無(wú)錫市梁溪區(qū)中心地段，為獨(dú)具特色的古運(yùn)河畔江南人家歷史文化街區(qū)。街區(qū)以古運(yùn)河為中軸，南長(zhǎng)古街和南下塘古弄分列左右，街區(qū)現(xiàn)存有少量明、清古民居，絕大部分歷史建筑為19 世紀(jì)末、20 世紀(jì)初所建的有著濃厚運(yùn)河江南人家特點(diǎn)，又有中西合璧風(fēng)格的石庫(kù)門商賈別墅。

南下塘景區(qū)內(nèi)的清名橋歷史文化街區(qū)，是大運(yùn)河畔典型的江南水鄉(xiāng)，被譽(yù)為“江南水弄堂，運(yùn)河絕版地”。2014 年6 月22 日，清名橋歷史文化街區(qū)被列為世界文化遺產(chǎn)大運(yùn)河中的江南運(yùn)河無(wú)錫城區(qū)段組成部分。

現(xiàn)南下塘古街沿運(yùn)河段主體建筑已全部修復(fù)并投入使用，成為人文無(wú)錫，歷史老街的標(biāo)志之一；南下塘古運(yùn)河?xùn)|側(cè)花園里作為南下塘歷史街區(qū)與現(xiàn)有街區(qū)的銜接段，尚有部分老舊建筑未進(jìn)行修復(fù)。為保護(hù)歷史老街，傳承運(yùn)河文化，現(xiàn)對(duì)花園里弄的部分古建筑進(jìn)行保護(hù)性結(jié)構(gòu)測(cè)量及修復(fù)。

1 南下塘花園里危舊古建筑群特點(diǎn)

無(wú)錫花園里古建筑作為南下塘古建筑群的一部分，其主體建筑均為民國(guó)時(shí)期及上世紀(jì)建筑混搭而成。花園里在整個(gè)南下塘古建筑群中承接了古代與現(xiàn)代風(fēng)格銜接過(guò)渡的作用，其內(nèi)部房屋犬牙交錯(cuò)，新舊相間，大部分建筑結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，搖搖欲墜（見(jiàn)圖1～圖3）。

圖1 航拍南下塘花園里歷史古建筑群

圖2 街區(qū)現(xiàn)狀照片

花園里古建筑群大部分建筑均為民國(guó)時(shí)期所建民居，其建筑結(jié)構(gòu)圖紙已無(wú)從尋找，同時(shí)由于缺乏維護(hù)，許多建筑已破壞嚴(yán)重，更有甚者有部分建筑上已長(zhǎng)滿高大樹木，整個(gè)花園里古建筑群修復(fù)起來(lái)困難重重，為了保留南下塘原有建筑的統(tǒng)一及協(xié)調(diào)性，并最大可能的保留原有建筑；花園里危舊古建筑保護(hù)性修復(fù)必須在詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖及外立面圖上對(duì)現(xiàn)有危舊古建筑進(jìn)行修復(fù)及復(fù)原。

圖3 街區(qū)現(xiàn)狀照片

2 危舊古建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)量方法選取

建筑的結(jié)構(gòu)及立面測(cè)量常用方法有常規(guī)全站儀測(cè)量法，攝影測(cè)量法，三維激光掃描法等[1-2]。

2.1 常規(guī)全站儀測(cè)量法

常規(guī)全站儀測(cè)量法是利用全站儀對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)及立面進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制平面結(jié)構(gòu)圖及立面圖，該方法是最常用也是最經(jīng)濟(jì)的一種測(cè)量方法，但是該測(cè)量方法由于需要人為對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷分析并手動(dòng)測(cè)量特征點(diǎn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的建筑測(cè)量及成圖均方便快捷，但是對(duì)結(jié)構(gòu)及形狀復(fù)雜的建筑將會(huì)消耗大量的時(shí)間，而且由于測(cè)量數(shù)據(jù)過(guò)多而特征點(diǎn)無(wú)法詳細(xì)測(cè)出常常會(huì)出現(xiàn)各類錯(cuò)誤，無(wú)法詳細(xì)的體現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)及立面。

2.2 攝影測(cè)量法

常用的攝影測(cè)量分航空攝影測(cè)量及近景攝影測(cè)量，針對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)及立面測(cè)量常使用近景攝影測(cè)量。近景攝影測(cè)量是現(xiàn)場(chǎng)對(duì)待測(cè)目標(biāo)按照攝影測(cè)量的要求拍攝成組照片，然后用計(jì)算機(jī)對(duì)照片進(jìn)行內(nèi)業(yè)解析作業(yè)，從而獲得目標(biāo)空間三維尺度信息的一種測(cè)量方法。近景攝影測(cè)量操作簡(jiǎn)單測(cè)量精度高，針對(duì)復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)及立面具有較好的成圖效果，但是近景攝影測(cè)量需要在建筑上布設(shè)大量的控制點(diǎn)以統(tǒng)一成圖比例尺及方便圖形銜接，這需要消耗大量的時(shí)間布點(diǎn)。

2.3 三維激光掃描法

三維激光掃描法是利用三維激光掃描儀對(duì)建筑進(jìn)行測(cè)量的一種方法。三維激光掃描技術(shù)是利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)三維激光掃描儀密集測(cè)量并記錄被測(cè)物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，同時(shí)利用相應(yīng)三維成圖軟件可快速得到被測(cè)物體的三維模型，而通過(guò)三維模型可詳細(xì)讀取被測(cè)物體的各項(xiàng)信息。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集的大量獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的全站儀單點(diǎn)測(cè)量，三維激光掃描技術(shù)更能詳細(xì)的反應(yīng)出目標(biāo)對(duì)象的各類信息。但是由于三維激光掃描技術(shù)是通過(guò)大量測(cè)取被測(cè)物體的表面點(diǎn)，其海量數(shù)據(jù)的處理需要消耗大量的時(shí)間，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件也具有極高的要求。

3 測(cè)量方案的實(shí)施

南下塘花園里建筑大多為民國(guó)時(shí)期及上世紀(jì)民間建筑混搭而成，其建筑相互錯(cuò)落形成了獨(dú)特的弄堂建筑，同時(shí)弄堂建筑內(nèi)部狹小布局復(fù)雜，外部結(jié)構(gòu)單一無(wú)裝飾結(jié)構(gòu)，同時(shí)其布局又參差不齊（見(jiàn)圖3）。在該情況下如果選擇攝影測(cè)量法及三維激光掃描儀法將會(huì)需要頻繁架設(shè)儀器，消耗大量時(shí)間在不同站間的銜接上，而每一測(cè)站獲得的有效數(shù)據(jù)卻不多，成本高昂而效率低下，故本次測(cè)量方案選擇常規(guī)全站儀測(cè)量法。

3.1 危舊古建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)量

南下塘花園里建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)量任務(wù)是主要測(cè)量出建筑的內(nèi)外墻體，建筑門窗位置及建筑承重結(jié)構(gòu)柱及結(jié)構(gòu)梁。南下塘花園里建筑大多為一至三層磚結(jié)構(gòu)建筑，其主體承重結(jié)構(gòu)柱及結(jié)構(gòu)梁主要為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱及木制結(jié)構(gòu)柱，并且為裸露狀態(tài)（見(jiàn)圖4）。

圖4 建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于南下塘花園里建筑間距狹小，故測(cè)量時(shí)利用Leica Tcr802 型全站儀沿南下塘花園里主弄堂密集布設(shè)控制點(diǎn)并進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，然后通過(guò)相鄰兩控制點(diǎn)利用后方交會(huì)法進(jìn)行任意架站，并分別對(duì)每一棟建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，其成果見(jiàn)圖5。

3.2 危舊古建筑外立面測(cè)量

南下塘花園里建筑的外立面具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)裝飾的特點(diǎn)，故本次針對(duì)南下塘花園里建筑的立面測(cè)量也采用常規(guī)全站儀法。

圖5 南下塘建筑平面結(jié)構(gòu)圖

利用全站儀進(jìn)行建筑立面測(cè)量的方法有許多種，本文根據(jù)作者實(shí)際工作總結(jié)并得出針對(duì)復(fù)雜程度不同的建筑立面，具有三種方法進(jìn)行測(cè)量與繪制。

方法一（常規(guī)量距法）：對(duì)于僅有門窗而無(wú)造型的簡(jiǎn)單建筑立面。可以使用全站儀直接測(cè)量門窗尺寸，離地距離，門窗邊至墻邊距離等數(shù)據(jù)，并利用筆記本電腦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行繪制，見(jiàn)圖6。

圖6 簡(jiǎn)單立面結(jié)構(gòu)圖

方法二（CAD 展繪法）：對(duì)于造型復(fù)雜，具有多層次立體造型且建筑立面較小的建筑可以采用直接測(cè)量利用CAD 展繪法。首先利用全站儀（無(wú)棱鏡模式）直接對(duì)建筑立面上門窗及各種造型進(jìn)行測(cè)量并獲得相應(yīng)特征點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，然后將獲得的特征點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)展繪至CAD 軟件上，并在展繪的圖中選區(qū)建筑上處于同一平面上的最外側(cè)兩個(gè)特征點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，以這兩基準(zhǔn)點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)將整個(gè)展繪的數(shù)據(jù)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至與Y 軸平行，然后提取旋轉(zhuǎn)后的各特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以提取的特征點(diǎn)的Y 坐標(biāo)及Z 坐標(biāo)分別作為新的坐標(biāo)系統(tǒng)中的Y（新）坐標(biāo)及X（新）坐標(biāo)并將其展繪至CAD 軟件上建立建筑立面坐標(biāo)系，最后根據(jù)展繪的特征點(diǎn)繪制建筑立面圖，見(jiàn)圖7。

圖7 復(fù)雜立面結(jié)構(gòu)圖

方法三（立面坐標(biāo)系法）：對(duì)于造型復(fù)雜，具有多層次立體造型且建筑立面較大的建筑采用直接建立建筑立面坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量。首先選取建筑同一面上最外側(cè)同等高度處兩點(diǎn)，用全站儀（無(wú)棱鏡模式）直接測(cè)取該兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后利用該兩點(diǎn)的X、Y、Z 坐標(biāo)分別作為建筑立面坐標(biāo)系中的Z（建）、Y（建）、X（建）坐標(biāo)，然后利用該兩點(diǎn)的新坐標(biāo)（建筑立面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)）通過(guò)全站儀后方交會(huì)法架設(shè)儀器直接對(duì)建筑立面進(jìn)行測(cè)量，最后再展繪至CAD 中并利用測(cè)量所得的特征點(diǎn)直接繪制建筑立面圖。南下塘花園里建筑也是通過(guò)該方法進(jìn)行立面測(cè)量。南下塘花園里建筑立面圖測(cè)量成果見(jiàn)圖8。

圖8 南下塘花園里建筑立面成果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著城市化進(jìn)程的加快，經(jīng)濟(jì)的深化發(fā)展，社會(huì)對(duì)歷史文化傳承的需求與日俱增，地方人文歷史街區(qū)的建設(shè)在越來(lái)越多的城市與地區(qū)被受到重視，而人文歷史街區(qū)的建設(shè)離不開建筑的結(jié)構(gòu)及立面測(cè)量，因地制宜，針對(duì)不同的建筑采用不同的測(cè)量方法，將有效的節(jié)約經(jīng)濟(jì)及時(shí)間成本，在新的時(shí)期中，傳統(tǒng)的測(cè)量方式也將大放異彩。